【正文】 ................................................................................................................................. 28 參考文獻 .................................................................................................................................. 28 基于模糊 PID 算法的小型四旋翼無人飛行器控制系統(tǒng)設計 1 第一章 概述 有史以來，人類一直有一個夢想，那就是可以像藍天上自由翱翔的鳥兒一樣。據(jù)史料記載，歷史上第一個嘗試飛天的人，是我國明朝時期一位名叫萬戶的士大夫。不幸的是，萬戶操作失誤，火箭中途爆炸，萬戶為此付出了生命。 人類真正將飛天夢想變?yōu)楝F(xiàn)實是在 1904 年：美國的萊特兄弟發(fā)明了飛機。由之前的飛行員駕駛發(fā)展為無人駕駛，固定翼發(fā)展為旋翼式。四旋翼飛行器作為無人機的一種，因其優(yōu)良的性能和廣泛的適用性，漸漸成為近幾年的熱門。當無人飛行器第一次出現(xiàn)時是針對防空火炮部隊進行打靶的靶機。 無人飛行器按旋翼形式分為兩種是固定翼和旋翼式，旋翼式無人機存在多方面的優(yōu)勢和固定翼無人機相比。小型四旋翼無人飛行器是一種結構簡單可靠的飛行器。與固定翼飛行器相比，四旋翼飛行器在飛行過程中通過改變四個螺旋槳的轉速和轉向來改變飛行器的姿態(tài)，而不需要調整螺旋槳傾角，因此結構緊湊，操控簡單。與常規(guī)布局的直升機相比，四旋翼飛行器的機械結構簡單，易于維護，成本較低。這些優(yōu)點決定了四旋翼無人飛行器可以用于執(zhí)行某些特殊任務。 四旋翼飛行器是一個多輸入多輸出的非線性控制系統(tǒng)，由于不同于傳統(tǒng)的飛行器結構，因此系統(tǒng)建模也相對復雜，由 于結構的特殊性其對控制算法的要求也相對較高。近幾年來，隨著材料學、微機電系統(tǒng)、高性能微型傳感器及飛行控制理論的不斷發(fā)展，四旋翼飛行器獲得了日新月異的進展，并且展現(xiàn)出了巨大的商業(yè)潛力。 基于模糊 PID 算法的小型四旋翼無人飛行器控制系統(tǒng)設計 2 四旋翼飛行器的研究現(xiàn)狀 四旋翼飛行器的研究 工作 可以追溯到 20 世紀初，在 1907 年 ， 法國科學家 Charles Richet 的指導下， Breguet 兄弟 生產 出了第一架旋翼式直升機，命名為 BreguetRichet Gyroplane 旋翼機 1 號。螺旋槳采用共軸反旋式結構， 從而很好的 相互抵消反扭矩。旋翼機 1 號進行 了 多次的飛行試驗，而最終實驗結果卻并不理想，但是這種同時使用正 反旋翼的設計思想為后來飛行器的設計提供了新的設計思路，也為現(xiàn)代四旋翼飛行器的發(fā)展提供了基本雛形。在 之后的很長 一段時間里，四旋翼飛行器 沒有做出顯著的進步 到了二十一世紀，隨著科學技術的不斷發(fā)展以及各種新型控制器、傳感器的出現(xiàn)， 四旋翼飛行器的研究再次進入人們的視野。該系列四旋翼飛行器主要使用碳纖維材料制作，通過壓電晶體陀螺儀作為姿態(tài)穩(wěn)定傳感器， 具有自動平衡及定點懸浮功能。另外 Parrot 公司制作的 飛行器也是另一款非常 具 有代表性 的 遙控四旋翼飛行器。 可 借助機載 wifi 系統(tǒng)，通過 iPhone、 iPod touch 或 iPad 遠程控 制，使用 MEMS 加速度計 （微機電系統(tǒng)） 、陀螺儀傳感器和超聲波測距傳感器，并配備多個傳感器，多個捕獲器、廣角攝像頭、高速攝像頭和機載控制器相結合，使 可以簡單輕松地 進行飛行操縱。美國賓夕法尼亞大學 GRASP 實驗室設計了一種 可以 在室內進行編 隊飛行的四旋翼無人飛行器， 在 這些飛行器上都安裝有光源，通過安裝在室內的一組攝像頭進行拍攝，確定飛行器的位置并對其進行編隊控制 。 圖 賓夕法尼亞大學的四旋翼編隊 麻省理工學院設計了一款 能夠 在室內進行定位、地圖繪制和壁障的四旋翼無人機系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過激光雷達對周圍環(huán)境進行測量， 可以 自動生成室內 的 三維地圖數(shù)據(jù)，并根據(jù)周圍環(huán)境進行自主壁障和路徑規(guī)劃，可以用于危險環(huán)境的初步探測以及人員的搜救。 基于模糊 PID 算法的小型四旋翼無人飛行器控制系統(tǒng)設計 4 圖 麻省理工大學的四旋翼飛行器 德國在四旋翼飛行器的研究 成果 也具 全球領先 的水平 ，德國的 MICRODRONES 公司推出了一款四旋翼飛行器 MD4200。 使用獨特的盤式直流無刷 直驅 電機，具有非常高的工作效率 和非常小的噪音。飛行器安裝有 GPS 定位系統(tǒng)和攝像設備，能夠在室內和室外執(zhí)行 自動駕駛、 航拍和定點觀測 等 任務。 圖 MD4200 四旋翼飛行器 基于模糊 PID 算法的小型四旋翼無人飛行器控制系統(tǒng)設計 5 在微型四旋翼飛行器 研究 領域中具有代表性的是斯坦福大學的 Mesicopter 項目， 該 項目 是在國家航空航天局 (nasa)的支持下，為研究微型旋翼飛行器技術而設計的，斯坦福大學研究小組 為四旋翼飛行器的研究提供了一種獨特的 思維方式 。 圖 Mesicopter 的微型四旋翼飛行器 目前， 我國 對于四旋翼飛行器的研究還處于 初級 階段，國防科技大學 ， 上海交通大學，南京航空航天大學，哈爾濱 工業(yè)大學 ， 天津大學，中南大學 ，北京航空航天大學 等幾所院校已經 開始進行相關領域 的 研究工作，并且取得了一定成果。同時，對于硬件系統(tǒng)的研究，對捷聯(lián)慣導系統(tǒng)的設計研究也取得了不錯的成績。雖然四旋翼飛行器的技術逐漸走向成熟，但要想要讓四旋翼飛行器從實驗室走到實際生活中，仍有一些技術難題需要解決。 基于模糊 PID 算法的小型四旋翼無人飛行器控制系統(tǒng)設計 6 數(shù) 學模型 研究四旋翼飛行器是以四旋翼飛行器的動力學數(shù)學模型為基礎的。由于飛行器系統(tǒng)的高度非線性，多目標控制和控制量是有限的，且易受到自身原因和外界干擾等，這是難以建立準確和可靠的數(shù)學模型的。 控制算法 四旋翼飛行器的強耦合、不穩(wěn)定的動力特性是姿態(tài)控制方面困擾無數(shù)研究人員的難題。包括基于理論 的數(shù)學模型精度的影響。 基于實驗飛行中的無法預知外界的干擾。所以有必要采取適當?shù)目刂扑惴?，以減小系統(tǒng)的不穩(wěn)定性，這樣可以使飛行器在飛行過程中達到所需的效果。在實踐中，因為有限的四旋翼飛行器主控芯片運算速度，在算法選擇方面要慎重考慮。目前國際上經常采用的控制算法有 PID 控制、滑?？刂?、反演控制、神經網絡控制和自適應控制等 算法。傳感器的測量精度，微處理器的處理速度，對飛行器的控制效果有非常大的影響，因此對電子元器件也有很高的要求。由于電子技術的限制，使許多理論上可行的控制算法，不能在實際中落實，使四旋翼飛行器發(fā)展的步伐受到阻礙。 動力與能源問題 目前四旋翼飛行器的能源供應主要來 源于機載鋰電池。有些科研人員將飛行器微型化，減小負載，雖然可以延長使用時間，但是并不能從根本上解決問題，反而導致了其它新的問題出現(xiàn)。燃油驅動是保證四旋翼飛行器工作時間的一個很好的選擇。完成了四旋翼飛行器動力學模型的推導，采用模糊 PID 控制算法對系統(tǒng)進行控制，并利用 Matlab 對控制算法進行仿真實驗 。 第 1 章介紹了研究四旋翼飛行器的研究意義，國內外飛行器的研究現(xiàn)狀以及需要解決的難題。首先介紹了四旋翼飛行器的組成及結構功能；接著分析四旋翼飛行器的運動原理，還對四旋翼飛行器的力學和動力學特性進行分析，推導其數(shù)學模型。本文利用 Matlab/simulink 對控制算法進行仿真。 第 4 章主要完成了四旋翼飛行器的控制算法編寫，并在實物上進行飛行試驗，利用飛行試驗數(shù)據(jù)，進行不斷的調試，驗證了控制系統(tǒng)的性能。 本章小結 本章主要介紹了四旋翼飛行器的研究意義，及飛行器的發(fā)開制造歷史。分析了四旋翼飛行 器發(fā)展過程中需要解決的問題。 第二章 四旋翼飛行器的運動原理及數(shù)學模型 本章主要做的工作是對四旋翼飛行器進行簡單的介紹，分析四旋翼飛行器的運動原理，從運動學和空氣動力學的角度完成四旋翼飛行器的的數(shù)學建模。它是一種具有四個螺旋槳的飛行器，通過改變四個螺旋槳的轉速、轉向來改變飛行器的運動狀態(tài)，如圖 21 所示。一些更加先進的四旋翼飛行器還可以安裝其他模塊，例如無線通信模塊、 GPS 模塊、攝像設備等，來實現(xiàn)更為復雜的其他功能。在每個橫梁的頂點各有一個螺旋槳。無刷直流 電機安裝在螺旋槳下面，固定在機身桿上。飛行控制板由慣性單元和微處理器組成。通過調節(jié)每個螺旋槳的轉速，使得升力發(fā)生變化，然后使飛行器的受力改變，即可調節(jié)四旋翼飛行器的飛行姿態(tài)。分別是垂直升降運動、俯仰運動、滾轉運動、偏航運動、前后運動、側向運動。 四旋翼飛行器高度控制 首先將四旋翼飛行 器看作質量處處均勻，形狀完全對稱的理想物體，螺旋槳產生的升力與其旋轉角速度的平方成正比，即 2?KF? 。四個電機能否同步是四旋翼飛行器高度控制的關鍵。對俯仰角進行控制時要保持 2 號和4 號螺旋槳轉速不變， 3 號電機加速旋轉，即增大 3 號螺旋槳的升力， 1 號電機減速旋轉，即減小 1號螺旋槳的升力，這樣使得 3 號電機 產生的力矩大于 1 號電機產生的力矩，這樣就會使得四旋翼飛行器沿著 2 號和 4 號螺旋槳所在橫梁旋轉，但應注意轉速增大和減小的幅度應該相同，這樣能保證扭矩總和不變，仍能和 2 號與 4 號螺旋槳產生的扭矩抵消，這樣四旋翼飛行器就會前傾（見圖 23a）。 1 號和 3 號螺旋獎轉速差越大，則四旋翼飛行器俯仰角越大。對橫滾角進行控制時要保持 1 號和 3 號螺旋槳轉速不變， 2 號電機加速旋轉，即增大 2 號螺旋槳的升力， 4 號電機減速旋轉，即減小 4 號螺旋槳的升力，這樣使得 2 號電機產生的力矩大于 4 號電機產生的力矩，這樣就會使得四旋翼飛行器沿著 1 號和 3 號螺旋槳所在橫梁旋轉，但應注意轉速增大和減小的幅度應該相同，這樣能保證扭矩總和不變，仍能和 1 號與 3 號 螺旋槳產生的扭矩抵消，這樣四旋翼飛行器就會左傾（見圖 24a）。 2 號和 4 號螺旋獎轉速差越大，則四旋翼飛行器俯仰角越大。同理， 1 號和 3號螺旋槳同時加速 ,2 號和 4 號螺旋槳轉速變小，則四旋翼飛行器右旋（見圖 25b）。為了選擇適當?shù)目刂品椒?，需要對四旋翼飛行器進行力學和動力學上的分析并建立相應的數(shù)學模型，以挑選 合適的控制算法基于最后的數(shù)學模型。針對這種非線性系統(tǒng)，對整個系統(tǒng)進行動力學建模比較復雜，為了簡化模型，我們對四旋翼飛行器建模的假設條件為： （ 1）機體坐標系的原點為飛行器的質心，并且與飛行器幾何中心重合； （ 2）除了由于螺旋槳的旋轉而產生的氣流外，空氣流的速度為零； （ 3）四旋翼飛行器機體與螺旋槳都是剛體結構，并且機體是幾何與質量對稱的； （ 3）忽略機體所受的空氣阻力，不考慮地效效應的影響； （ 4）螺旋槳產生的升力與螺旋槳轉速的平方成比，螺旋槳 旋轉時產生的反扭矩與螺旋槳轉速的平方成正比。為了能夠更好的分析這兩種運動方式，且為了方便建立數(shù)學模型，本文引入了兩種坐標系，即地面坐標系和機體坐標系。 載體坐標系即 Supporter(OXYZ)，簡寫為 S(OXYZ)，該坐標系以四旋翼飛行器的重心為原點， 1號和 3 號螺旋槳所在的橫梁代表的軸為 Y 軸， 2 號和 4 號螺旋槳所在的橫梁代表的軸為 X 軸，規(guī)定由 4 號螺旋槳指向 2 號螺旋槳的方向為 X 軸的正方向，由 3 號螺旋槳指向 1 號螺旋槳的方向為 Y 軸的正方向， Z 軸以豎直向上為正方向。在初始狀態(tài)下，機 體坐標系和地面坐標系的 3 個軸是對應著平行的。 基于模糊 PID 算法的小型四旋翼無人飛行器控制系統(tǒng)設計 12 圖 26 地面坐標系與載體坐標系 在地面坐標系中對飛行器的位置和姿態(tài)進行定義，而四旋翼飛行器的自身的傳感器數(shù)據(jù)是在載體坐標系獲得的。定義在機體坐標系下的向量： ? ?BBBab zyxa ? （ ） 則轉換到地面坐標系下為： ? ?EEEBE zyxaRa ?? *39。 VmF ?? 是基于模糊 PID 算法的小型四旋翼無人飛行器控制系統(tǒng)設計 13 牛頓第二定律構建的，針對四旋翼飛行器平移運動的平移方程， HM ?? 是歐拉方程，是描述剛體旋轉運動的旋轉方程。則四旋翼飛行器在空中所受到的總升力 1U 為： )( 2423222143214 11 ????????????? ?? bFFFFFU i i （ ） 則在機體坐標系 B 中飛行器的受力 向量為 ? ?100 UFB ? ,由公式（ )得到地面坐標系 E 中的受力向量 EF 為： ??????????????????????????111)c o s( c os)c o ss i ns i ns i nc o s()c o ss i nc o ss i n( s i nUUURFFFFF BZYXE???????????? () 在上一節(jié)中將四旋翼飛行器在地面坐標系下的坐標定義為， ? ?TE